熱噴塗是一(yī)種用于工(gōng)程部件的表面噴塗和修複的工(gōng)業技術，熱噴塗工(gōng)藝非常便捷，幾乎能應用在所有工(gōng)業領域。通常将金屬、合金、金屬氧化物(wù)、金屬/陶瓷混合物(wù)、碳化物(wù)、線材、棒材以及各種複合材料沉積在不同的基體(tǐ)材料上，可以使基體(tǐ)材料或工(gōng)件形成保護性或功能性表面塗層。
▲熱噴塗原理示意圖
熱噴塗粉末占熱噴塗材料總用量的70%以上，熱噴塗粉末的成分(fēn)、分(fēn)布、形貌和粒度因粉末制備方法而異。用于熱噴塗的粉末不僅需要滿足塗層要求的功能，還必須要滿足熱噴塗工(gōng)藝的需求，要能保證粉體(tǐ)可以被流暢、穩定、均勻地輸送到噴塗的焰流中(zhōng)，從而保證沉積效率及穩定且均勻的塗層質量。
▼熱噴塗粉末特性
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顆粒形貌 |
主要是指粉體(tǐ)顆粒的幾何形狀和表面特征，其中(zhōng)粉體(tǐ)的幾何形狀主要指粉末的球化程度，随着球形度的提高，粉體(tǐ)的固态流動性也越好，表面特征則是指粉末表面顔色和光滑程度等。一(yī)般球形、緻密的粉末可獲得優良的塗層。 |
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粒度分(fēn)布 |
通常原始粉末按照顆粒尺寸可分(fēn)爲納米級（1~100nm）、亞微米級（100nm~1µm）和微米級（1µm以上），納米級和亞微米級粉末尺寸小(xiǎo)、質量輕，在熱噴塗過程中(zhōng)易被氣流吹散或被高溫火(huǒ)焰燒蝕掉不能直接用于熱噴塗，需要進行粉末顆粒的尺寸增大(dà)處理，即通過二次造粒改善粉末物(wù)性後用于熱噴塗。熱噴塗粉末顆粒一(yī)般用目來衡量。在粉末樣品中(zhōng)用正負号和目數來表征粉末的粒度，如-120+300目表示粉末粒度小(xiǎo)于120大(dà)于300目，目數越大(dà)粉末越細。 熱噴塗粉末應滿足一(yī)定的粒度要求。用于火(huǒ)焰噴塗的金屬粉末一(yī)般小(xiǎo)于120目，常用的是-180+320目；等離(lí)子噴塗的陶瓷粉末粒度一(yī)般是-140+320目或-500+300目；适于HVOF的粉末粒度一(yī)般在15~53µm，較細的粉末粒度也在5~25µm，有些HVOF設備可實現10µm以下(xià)超細粉體(tǐ)的噴塗。 |
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流動性 |
流動性是指粉末的流動能力，是衡量粉末熱噴塗工(gōng)藝性的重要指标之一(yī)。通常采用霍爾流量計（Hallflowmeter）測量粉末流動性，單位是s/50g，其物(wù)理意義是50g的某種粉末流經具有一(yī)定孔徑的标準漏鬥所需要的時間s。流動數值越小(xiǎo)說明粉末的流動性越好，流動性好易實現均勻送粉，流動性差容易堵塞送粉通道。合金粉末的流動性一(yī)般較好，約爲20~45s/50g。陶瓷粉末流動性一(yī)般較差，約爲50~120s/50g，有的甚至在霍爾流量計中(zhōng)出現起拱現象，不自流，無流動性，在熱噴塗送粉器中(zhōng)通常采用振動或攪拌實現強制送粉。 |
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松裝密度 |
松裝比重又(yòu)稱松裝密度，其物(wù)理意義是幹粉末自然流入容器後，質量與體(tǐ)積之比，單位是g/cm3。松裝比重的大(dà)小(xiǎo)除了與粉末的成分(fēn)有密切關系外(wài)，還與粉末的形狀、表面質量有關。 團聚顆粒的松裝密度越高，流動性越好，相同噴塗工(gōng)藝下(xià)與基體(tǐ)碰撞時的粒子動能越高，獲得的塗層就越緻密 |
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含氧量 |
對于合金粉而言，含氧量也是一(yī)個較重要的物(wù)性指标。粉末中(zhōng)所含的氧元素一(yī)般是以氧化物(wù)的形式存在，這是由于粉末在制造過程中(zhōng)，金屬元素不可避免地受到輕微的氧化。氧化愈嚴重，含氧量愈高。粉末中(zhōng)所含氧化物(wù)是有害成分(fēn)，導緻塗層中(zhōng)産生(shēng)氣孔、夾雜(zá)。對含氧量要嚴格限制。合金粉末的含氧量一(yī)般小(xiǎo)于0.2%。 |
霧化制粉法是以快速運動的流體(tǐ)（霧化介質）沖擊或以其他方式将金屬或合金液體(tǐ)破碎爲細小(xiǎo)液滴，繼之冷凝爲固體(tǐ)粉末的粉末制取方法。霧化主要用于制造金屬和合金粉末，理論上，任何能形成液體(tǐ)的材料均可以進行霧化制粉。根據霧化流體(tǐ)的種類可分(fēn)爲氣體(tǐ)霧化法和水霧化法。氣體(tǐ)霧化法制備的金屬粉末具有粒度細小(xiǎo)、球形度好、純淨度高的特點。
霧化法适用于熔點在1600℃以下(xià)的金屬或合金，比如：Al及Al合金、Cu及Cu合金、Ni-（Cr）-Al系合金、Ni基及Co基合金等。對于制備氧化物(wù)和碳化物(wù)粉末，主要因爲大(dà)多數氧化物(wù)和碳化物(wù)的熔點較高不适于采用霧化法生(shēng)産。
水霧化粉，不規則形狀，與氣霧化相比含氧量稍高
（來源：OerlikonMetco）
氣霧化粉(來源：同上)
霧化法包括二流霧化法：借助高壓水流或高壓氣流的沖擊來破碎液流，分(fēn)氣體(tǐ)霧化和水霧化；離(lí)心霧化：借助于離(lí)心力破碎液流，分(fēn)旋轉圓盤霧化、旋轉電(diàn)極霧化、旋轉坩埚霧化等；真空霧化：在真空中(zhōng)的霧化；超聲波霧化：利用超聲波能量來實現液流的破碎。
團聚燒結法是目前制備熱噴塗粉末較常用的造粒方法，是指采用有機膠黏劑（比如聚乙烯二醇）将細微的原料粉末球磨混合制成料漿，通過噴霧幹燥裝置将料漿制成一(yī)定粒度的前驅體(tǐ)粉末，然後再經過脫脂、燒結、篩分(fēn)得到适于熱噴塗用的粉末。
噴霧裝置是控制霧滴尺寸的關鍵，主要有4種類型：旋轉噴嘴、高壓噴嘴、氣動噴嘴和超聲波噴嘴。不同噴嘴形成的霧滴尺寸數據：
大(dà)部分(fēn)碳化物(wù)、氧化物(wù)原料的粒度都比較小(xiǎo)，難以直接用于熱噴塗，團聚燒結法則很好的将這些微細粒粉末聚合成熱噴塗用粉末，且粉末形貌呈多孔球形，流動性好，制備能耗低。再熱噴塗過程中(zhōng)加熱速度快而均勻，噴塗效率高，常用于制備钴基碳化物(wù)系金屬-陶瓷粉末、氧化物(wù)系陶瓷粉末。
▲團聚燒結粉末（來源：同上）
先把混合好的原料置于特定的加熱爐（如電(diàn)弧爐）中(zhōng)進行加熱，至原料熔融後再制成一(yī)定尺寸的鑄錠，再借助某種破碎設備對冷卻凝固後的鑄錠進行破碎處理從而獲得粉末，這種制備粉末的方法就叫做熔融破碎法。一(yī)些脆性大(dà)、容易被破碎的材料一(yī)般都采用熔融破碎法來制備相應的粉末。
▲熔融粉碎粉（來源：同上）
熔融破碎法制備的粉末成分(fēn)均勻程度大(dà)大(dà)的提高、偏析現象極大(dà)的減小(xiǎo)，這是因爲熔化處理有利于成分(fēn)均勻化，粉末緻密呈不規則塊狀。大(dà)部分(fēn)熱噴塗粉末都可以采用熔融破碎法制取，比如氧化物(wù)系陶瓷粉末、碳化鉻粉末、钴基碳化鎢系金屬陶瓷粉末等。但是在破碎機粉碎鑄錠時會引入鐵雜(zá)質，需要添加一(yī)步物(wù)化法除雜(zá)工(gōng)藝，即通過電(diàn)磁吸附或溶劑溶解來去(qù)除。
▲融合和壓碎氧化鋁熱噴塗粉末
來源：Saint-Gobain Coating Solutions
燒結破碎法首先是将細微的原料粉末經高溫燒結成型，然後采用破碎機對燒結體(tǐ)進行機械粉碎制得粉末的工(gōng)藝。相對熔融破碎法，燒結破碎法制備粉末的溫度較低。一(yī)些高熔點材料的鑄錠難以破碎成粉體(tǐ)，無法用熔融破碎法制備，而燒結破碎法通過控制燒結參數能夠得到容易破碎的燒結體(tǐ)，能很好的解決這一(yī)問題。
燒結破碎法可用于制備的熱噴塗粉末有：鎢粉、钼粉等高熔點金屬粉體(tǐ)，钴基碳化物(wù)系金屬陶瓷粉體(tǐ)，氧化鉻系陶瓷粉體(tǐ)等。但所制得的粉體(tǐ)形貌與熔融破碎法制備的粉體(tǐ)相似，也是多棱角不規則塊體(tǐ)粉末流動性差，影響噴塗效果。
殼核結構複合粉末兼有殼、核兩種材料的優良性能，被廣泛應用于電(diàn)力、催化及熱噴塗等領域，具備殼核結構的粉末一(yī)般采用包覆法制備，将一(yī)層材料通過機械融合法或者複合化包覆另一(yī)種材料。
機械融合法适用于熔點相差懸殊的兩種材料，先将粉末加熱到兩者熔點之間，熔點低的材料處于熔融或半熔化狀态，熔點高的材料仍是固态，通過機械混合，兩種材料不斷焊合，熔點低的材料不斷包覆高熔點材料，形成殼核結構的複合粉體(tǐ)。複合化是将韌性相差懸殊的材料，通過不斷混合形成的包覆材料。
等離(lí)子體(tǐ)球化處理技術的原理是：利用熱等離(lí)子的高溫環境，載氣将粉體(tǐ)送入高溫等離(lí)子體(tǐ)中(zhōng)，粉體(tǐ)顆粒迅速吸熱後表面（或整體(tǐ)）熔融，并在表面張力作用下(xià)縮聚成球形液滴，進入冷卻室後驟冷凝固而将球形固定下(xià)來，從而獲得球形粉體(tǐ)。
▲射頻(pín)等離(lí)子體(tǐ)球化示意圖
緻密的球形粉末大(dà)部分(fēn)是通過熱等離(lí)子體(tǐ)處理獲得的，主要有直流(DC)等離(lí)子體(tǐ)和射頻(pín)(RF)等離(lí)子體(tǐ)球化粉末，其中(zhōng)最常用的是射頻(pín)放(fàng)電(diàn)等離(lí)子體(tǐ)。射頻(pín)等離(lí)子體(tǐ)焰炬的溫度較高,可達10000K高溫,對難熔金屬，陶瓷也能達到球化效果,可以用于粉末材料的二次改造,改變其粉末形貌，增大(dà)粉末顆粒的球形度,減少不規則粉末及缺陷粉末。
▲等離(lí)子球化球形钽粉（來源：TEKNA）
钽熔點高達3017°C